Un préamplificateur d'antenne de 0,4 à 50 MHz

Voici un préamplificateur d’antenne large bande dont le gain moyen est de 22 dB pour un facteur de bruit inférieur à 2 dB. Vous apprendrez, en lisant cet article, qu’un bon préamplificateur d’antenne n’est pas celui qui a le plus de gain mais celui dont le facteur de bruit est le plus faible.
Si vous oubliez cette règle, vous détériorerez le rapport signal/bruit du récepteur, ce qui n’est pas vraiment le but recherché !


Pour améliorer la qualité de réception d’un récepteur, la solution la plus efficace mais pas toujours la plus simple à mettre en oeuvre, reste l’utilisation d’un dipôle taillé sur la demi-onde du centre de la bande à recevoir. Le dipôle, même si son lobe de rayonnement est très large, reste une antenne plus ou moins directive. Si on veut pouvoir écouter une bande donnée dans toutes les directions on pourra également utiliser un fouet vertical taillé sur 1/4 ou 3/4 d’onde.
Ces solutions ne peuvent, hélas, être adoptées que pour la réception d’une bande de fréquences précise. En effet, si vous voulez recevoir une gamme considérablement plus large, couvrant, par exemple, de 1 MHz à 50 MHz, vous ne pourrez pas, bien entendu, installer sur votre toit autant d’antennes que de bandes de fréquences à recevoir !
Dans ce cas-là, le problème peut se résoudre définitivement en choisissant tout simplement un bon préamplificateur à large bande permettant d’amplifier tous les signaux pouvant être captés par une antenne avant de les appliquer sur l’entrée du récepteur.
Pour choisir un préamplificateur, on tient généralement compte du gain, c’est pourquoi, si on trouve 3 schémas ayant ces gains :

A = gain 15 dB (amplifie 5,6 fois)
B = gain 20 dB (amplifie 10 fois)
C = gain 30 dB (amplifie 31,6 fois)

la préférence instinctive ira presque toujours à celui qui amplifie le plus, c’est-à-dire à l’amplificateur C.
Pourtant, choisir un préamplificateur sur la base du seul gain est une erreur à ne pas commettre.
Pour évaluer la qualité d’un préamplificateur, il faut également tenir compte de la valeur de sa NF (Noise Figure), c’est-à-dire de son facteur de bruit.
Imaginons que les trois préamplificateurs de notre exemple aient ces niveaux de bruit :
A = gain 15 dB NF 3 dB
B = gain 20 dB NF 2 dB
C = gain 30 dB NF 4 dB

Le meilleur ne sera pas celui qui a le plus fort gain, mais celui qui a le bruit le plus bas, c’est-à-dire le préamplificateur B.
En fait, si on installait le préamplificateur C, qui a le gain le plus important, on remarquerait avec stupéfaction qu’il capte moins d’émetteurs que le préamplificateur B, bien que celui-ci ait un gain plus faible.

La NF ou facteur de bruit
Tous les semi-conducteurs utilisés pour préamplifier un signal BF ou HF mettent en mouvement des électrons qui génèrent du souffle.
Ce souffle, ou ce bruit, qui est toujours d’une certaine amplitude, ne permet pas aux signaux incapables de dépasser ce seuil de bruit d’être amplifiés.
Pour vous donner une idée de la façon dont le facteur de bruit peut influer sur la sensibilité, voici un exemple très simple.
Si on allume une radio dans une pièce silencieuse, on pourra l’écouter en maintenant le volume au minimum. Si un appareil électroménager très bruyant est mis en marche, un aspirateur par exemple, pour continuer à écouter la radio, on devra alors augmenter le volume.
Plus le niveau du bruit augmente, plus on doit augmenter le volume de la radio. Si le niveau du bruit devient supérieur à celui du son, alors, on entendra seulement du bruit.
Si cet exemple ne suffit pas à vous faire comprendre comment un préamplificateur de faible gain peut s’avérer être plus sensible qu’un autre de gain plus élevé, suivez le second exemple, illustré par les dessins des figures 1, 2 et 3.
Supposons que notre antenne capte 5 émetteurs d’amplitudes différentes.
Si on applique ces signaux sur l’entrée du préamplificateur C, qui a un gain de 30 dB et une NF de 4 dB (voir figure 1), il n’amplifiera que les signaux qui réussissent à dépasser les 4 dB du seuil de bruit. Donc, sur les 5 émetteurs qui parviennent sur son entrée, on ne retrouvera sur sa sortie que les signaux des deux émetteurs les plus forts, c’est-à-dire les signaux D et E.
Si on applique les mêmes signaux sur l’entrée du préamplificateur A, qui a un gain de 15 dB et une NF de 3 dB (voir figure 2), il n’amplifiera que les signaux qui réussissent à dépasser les 3 dB du seuil de bruit. Donc, sur les 5 émetteurs qui parviennent sur son entrée, on ne retrouvera sur sa sortie que les signaux des émetteurs C, D et E.
Si on applique les signaux sur l’entrée du préamplificateur B, qui a un gain de 20 dB et une NF de 2 dB (voir figure 3), il pourra amplifier les 5 signaux, car ils ont un niveau supérieur à son niveau de bruit.
En conclusion, le préamplificateur C, qui a un gain de 30 dB et une NF de 4 dB, préamplifie 31,6 fois seulement le signal des émetteurs D et E. Le préamplificateur A, qui a un gain de 15 dB et une NF de 3 dB, préamplifie 5,6 fois le signal des trois émetteurs, C, D et E. Tandis que le préamplificateur B, qui a un gain de 20 dB et une NF de 2 dB, préamplifie 10 fois le signal des cinq émetteurs A, B, C, D et E.
Cet exemple montre de façon claire que ce qui compte le plus dans un préamplificateur, ce n’est pas tant son gain, mais son niveau de bruit.
Si on relie un préamplificateur sur l’entrée d’un récepteur qui a un bruit identique à celui du préamplificateur, on ne remarquera aucune amélioration de la sensibilité (voir figure 4).
Si le préamplificateur a un bruit supérieur à celui du récepteur, on réduira même sa sensibilité (voir figure 6). Les puristes diront que l’on dégrade le rapport signal/bruit.
Donc, si on choisit un préamplificateur qui a une NF de 2 dB et qu’on le relie à l’entrée d’un récepteur qui a la même NF, on captera les mêmes signaux que ceux que réussirait à capter le récepteur sans l’aide du préamplificateur, car les deux valeurs de NF sont identiques (voir figure 4).
Dans ce cas, on remarquera seulement une augmentation des niveaux des signaux, même en utilisant des antennes de dimensions réduites et non accordées sur la fréquence de travail.
Si, par contre, on relie à un récepteur ayant une NF de 4 dB un préamplificateur ayant une NF de 2 dB, on captera des signaux que le récepteur ne pourrait pas capter tout seul en raison de sa NF élevée (voir figure 5).
Si on relie à un récepteur ayant une NF de 2 dB un préamplificateur ayant une NF de 4 dB, on dégradera son rapport signal/bruit (voir figure 6) ce qui fait qu’en définitive, on recevra moins de signaux avec préamplificateur que sans !

Figure 1 : Si on applique les signaux de cinq émetteurs faibles sur l’entrée d’un préamplificateur dont le facteur de bruit (NF) est de 4 dB, on amplifiera uniquement les signaux qui dépassent ce niveau de bruit, c’est-à-dire ceux des deux émetteurs D et E.


Figure 2 : Si on choisit un préamplificateur dont le facteur de bruit est de 3 dB, on amplifiera uniquement les signaux des émetteurs C, D et E, car ils sont les seuls à dépasser le seuil de bruit de 3 dB. Les signaux A et B, par contre, ne seront pas amplifiés.

Figure 3 : Si on choisit un préamplificateur avec un facteur de bruit de 2 dB seulement, on amplifiera également les signaux faibles des émetteurs A et B.
Donc, ce qui compte le plus dans un préamplificateur HF, ce n’est pas tant son gain mais son facteur de bruit.


Figure 4 : Si on relie un préamplificateur sur l’entrée d’un récepteur dont le facteur de bruit est identique à celui du préamplificateur, on captera le même nombre d’émetteurs.

Figure 5 : Si on relie un préamplificateur sur l’entrée d’un récepteur d’une NF supérieure à celle du préamplificateur, on captera aussi les signaux que le récepteur ne pourrait pas capter tout seul.

Figure 6 : Si on relie un préamplificateur d’une NF de 4 dB sur l’entrée d’un récepteur d’une NF de 2 dB, on dégradera sa sensibilité (en fait son rapport signal/bruit).

Schéma électrique
Pour réaliser ce préamplificateur, nous avons choisi un MOSFET de type BF964, car il a un niveau de bruit très faible.
Bien que ses caractéristiques nous indiquent qu’il a une NF de 1 dB, nous devons considérer que l’on n’atteindra jamais une NF totale de 1 dB. En effet, au souffle émis par les électrons lorsqu’ils traversent le semi-conducteur, s’ajoutera le souffle naturel provenant du cosmos et capté par l’antenne.
Donc, pour la gamme des ondes courtes, il est pratiquement impossible de descendre en dessous d’une NF totale de 2 dB.
En regardant le schéma électrique de la figure 8, on remarque tout de suite que ce préamplificateur est composé de deux MOSFET reliés en “push-pull”.
Les caractéristiques techniques de ce préamplificateur peuvent être résumées ainsi :
Alimentation ............................. 12 à 16 volts
Consommation ............................. 22 mA
Gain moyen ............................... 22 dB
Niveau de bruit total .................... 2 dB
Bande passante ........................... 0,4 à 50 MHz

Signalons qu’un gain de 22 dB correspond à une augmentation de 12,6 fois la tension du signal capté. Donc, si on applique un signal de 0,8 microvolt sur l’entrée du préamplificateur, on prélèvera un signal de 10 microvolts sur sa sortie.
Le signal capté par l’antenne atteint le primaire du transformateur toroïdal T1 et on prélève alors sur son secondaire, muni d’une prise centrale, le signal à appliquer sur la Gate 1 des deux MOSFET.
Le signal préamplifié, prélevé sur les deux Drains des MOSFET, est appliqué sur le primaire du transformateur toroïdal T2, muni d’une prise centrale et prélevé sur son secondaire pour être transféré, par l’intermédiaire d’un petit câble coaxial, sur l’entrée du récepteur.
Le potentiomètre logarithmique R2 de 10 kilohms que nous avons inséré dans ce circuit sert à faire varier le gain du préamplificateur.
En tournant son curseur vers la masse, le signal est amplifié de 1,3 fois environ. En le tournant au maximum vers le positif, le signal est amplifié de 12,6 fois environ. En le tournant à mi-course, le signal est amplifié 6 fois environ.

Figure 7 : Photo du préamplificateur d’antenne monté sur un circuit imprimé double face. Les deux MOSFET doivent être soudés sur le côté opposé du circuit imprimé, comme vous pouvez le voir sur la figure 10.

Figure 8 : Schéma électrique du préamplificateur d’antenne à large bande. Le potentiomètre R2 nous permet de faire varier le gain total de l’étage préamplificateur.

Figure 9: Lorsque vous montez les deux MOSFET sur le circuit imprimé, faites très attention à ne pas confondre leurs broches. La broche D est la plus longue et seule la broche S présente un ergotdétrompeur.

Figure 10: Les deux MOSFET doivent être soudés sur les pistes qui se trouvent sous le circuit imprimé, en dirigeant la broche la plus longue, D, vers la droite et la broche S, munie d’un ergotdétrompeur, vers le haut. Vous devrez pouvoir lire leurs références (voir figure 11) du côté opposé du circuit imprimé.

Figure 11a: Schéma d’implantation des composants. Après avoir soudé les deux MOSFET sur le côté opposé du circuit imprimé, vous monterez tous les autres composants sur le côté du plan de masse.

Figure 11b : Dessin du circuit imprimé double face à l’échelle 1. Si vous réalisez vous-même le circuit imprimé, n’oubliez pas de souder sur les deux faces, tous les composants qui vont à la masse. Cette opération est inutile si vous faites l’acquisition du kit car les trous du circuit imprimé sont métallisés.

Liste des composants
R1 = 4,7 kΩ
R2 = 10 kΩ pot. log.
R3 = 10 kΩ
R4 = 47 Ω
R5 = 47 Ω
R6 = 1 kΩ
R7 = 220 Ω
R8 = 1 kΩ
R9 = 220 Ω
R10 = 47 Ω
C1 = 100 nF céramique
C2 = 100 nF céramique
C3 = 100 nF céramique
C4 = 100 nF céramique
C5 = 100 nF céramique
C6 = 47 μF électrolytique
C7 = 100 nF céramique
C8 = 100 nF céramique
C9 = 100 nF céramique
C10 = 47 μF électrolytique
C11 = 100 nF céramique
C12 = 100 nF céramique
DS1 = Diode 1N4007
MFT1 = MOSFET BF964
MFT2 = MOSFET BF964
T1 = Transfo sur tore NT50.43 ou éq.
T2 = Transfo sur tore NT50.43 ou éq.
Toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


Figure 12: Pour le transformateur T1, vous devrez bobiner 24 spires avec une prise centrale pour L2 et 4 spires pour L1. Les spires de L1 devront être bobinées, 2 à droite et 2 à gauche de la prise centrale de L2.

Figure 13: Pour le transformateur T2, vous devrez bobiner 24 spires avec une prise centrale pour L3 et 8 spires pour L4. Les spires de L4 doivent être bobinées, 4 à droite et 4 à gauche de la prise centrale L3.

Réalisation pratique
Pour réaliser ce préamplificateur, vous pourrez vous procurer le kit LX.1456 ou réaliser le circuit imprimé double face donné en figure 11b, sur lequel vous devrez monter tous les composants en les disposants comme indiqué sur la figure 11a.
Nous vous conseillons de commencer par insérer les deux MOSFET MFT1 et MFT2 dont les broches devront être soudées du côté opposé du circuit imprimé (voir figure 10), en faisant très attention à les insérer dans le bon sens.
Ces MOSFET ont en fait 4 broches placées en forme de croix (voir figure 9) et sur l’une d’elles, la Source, se trouve un ergot-détrompeur.
Pour les monter, vous devez, avant tout, considérer qu’ils doivent être insérés de façon à ce que le sigle BF964 soit visible du côté des composants, comme on le voit clairement sur la figure 11 et sur la photo de la figure 7.
Si on observe la figure 10, on peut remarquer que la broche la plus longue, c’est-à-dire le Drain, est dirigée vers la droite, de façon à ce que la Gate 1 soit sur la gauche, la Gate 2 en bas et la Source en haut.
Après avoir soudé les broches sur les pistes en cuivre, vous pouvez insérer toutes les résistances, les condensateurs céramiques, les polyesters ainsi que les électrolytiques en respectant leur polarité.
Lorsque vous insérez la diode DS1, dirigez le côté de son corps entouré d’une bague blanche vers la gauche, c’est-à-dire vers le condensateur C6.
Vous devez ensuite bobiner les transformateurs T1 et T2, sur des tores NT50.43 ou équivalents, en utilisant du fil de cuivre émaillé de 0,3 mm de diamètre.

Transformateur T1
Sur l’un des tores, commencez à bobiner le secondaire L2, composé de 24 spires et muni d’une prise centrale.
Après avoir coupé un morceau de fil de cuivre émaillé d’environ 45 cm, enroulez 12 spires, puis faites une torsade de 2 cm de long environ (voir le fil rouge de la figure 12), et enfin poursuivez avec les 12 dernières spires en les tenant toujours côte à côte.
Une fois l’enroulement terminé, répartissez ces 24 spires de façon à couvrir presque toute la circonférence du tore.
A présent, grattez les deux extrémités du fil ainsi que celle de la torsade à l’aide de papier de verre, de façon à éliminer le vernis, puis étamez.
Après avoir bobiné le secondaire, vous devez bobiner le primaire L1 (voir le fil vert sur la figure 12), composé de 4 spires, en utilisant toujours du fil de cuivre émaillé de 0,3 mm de diamètre.
L’enroulement L1 doit être intercalé entre les spires centrales du secondaire L2, en enroulant 2 spires à droite et deux autres à gauche de la prise centrale, de façon à ce que le couplage soit bien équilibré.
Une fois cet enroulement terminé, grattez les deux extrémités du fil et étamez.
Enfilez ensuite toutes les extrémités de ces fils dans les trous présents sur le circuit imprimé, en faisant attention à bien diriger le secondaire L2 vers la droite.

Transformateur T2
Commencez par bobiner son primaire L3 composé de 24 spires, sur le second tore de ferrite.
Prenez ensuite un morceau de fil de cuivre d’environ 45 cm et, après avoir enroulé 12 spires, faites une torsade (voir le fil rouge sur la figure 13), puis poursuivez en enroulant les 12 autres spires en les tenant toujours côte à côte.
Une fois l’enroulement terminé, écartez ces 24 spires de façon à les répartir sur presque toute la circonférence du noyau.
Grattez les extrémités des fils et étamez.
Bobinez maintenant le secondaire L4, composé de 8 spires.
L’enroulement L4 doit être intercalé entre les spires centrales du primaire L3 (voir le fil de couleur verte sur la figure 13), en enroulant 4 spires à droite et 4 autres à gauche de la prise centrale, de façon à ce que, là aussi, le couplage soit bien équilibré.
Une fois cet enroulement terminé, grattez les deux extrémités du fil et étamez.
Enfilez ensuite toutes les extrémités de ces fils dans les trous présents sur le circuit imprimé, en faisant attention à bien diriger le secondaire L4 vers la droite.

Comment relier le préamplificateur au récepteur ?
Le signal préamplifié qui se trouve sur le secondaire du transformateur toroïdal T2 doit être appliqué sur la prise antenne du récepteur, en utilisant un petit câble coaxial de type RG174.
Le signal capté par l’antenne doit être appliqué sur le primaire du transformateur toroïdal T1.
Si vous avez une antenne dipôle ou une verticale, vous pouvez attaquer l’entrée de T1 par l’intermédiaire de votre câble coaxial. Si, par contre, vous disposez d’une antenne long-fil, vous pouvez directement relier l’extrémité du fil à l’entrée de T1.

1 commentaires:

  1. Bonjour , serait t-il possible d'avoir le point de compression en entrée et en sortie pour 1 dBm et 3 dBm
    en vous remerciant

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